基于DDS技术三相功率可控PWM信号的FPGA实现

2011-05-30 01:16:52来源: 现代电子技术 关键字:DDS技术  PWM
   

0 引言
    脉宽调制技术(PWM)目前广泛应用在电力、电子、微型计算机、自动控制等多个学科领域。本设计采用基于FPGA的直接数字频率合成(DDS)技术,通过D/A转换进行程控放大,实现了三相功率可控的PWM信号。

1 系统的设计原理和实现过程
1.1 DDS的设计原理
    直接数字频率合成器(DDS)的组成见图1。fc为时钟频率,K为频率控制字,N为相位累加器的字长,W波形存储器地址线位数,L为ROM数据线宽度(一般也为D/A转换器的位数),fo为输出频率。相位累加器按照时钟脉fc的时序,对输入频率控制字K进行累加,相位累加器的输出作为波形存储器的地址输入。相位累加器的输出对应于该时刻合成周期信号的相位,由于N位累加产生溢出,因而相位是周期性的,在0~2π范围内变化。2π/2N rad是最小的相位增量,完成一整周的正弦波输出需要经过2π/(K×2π/2N rad)个系统时钟周期。因此,可以得到输出波形的频率fo为:

b.JPG
    
    而DDS的最小频率分辨率(即最低的合成频率)为
    a.JPG
    最高的基波合成频率受奈奎斯持抽样定理的限制(至少每周两次抽样才能重构波形)。

a.JPG


    由此可以看出,DDS具有高频率分辨率的特点。在fc固定时,取决于相位累加器的位数N,只要N足够大,理论上就可以获得相应的分辨精度,这是传统方法难以实现的。DDS中相位改变是线性过程,其相位误差主要依赖于时钟的相位特性,相位误差小,形成的信号具有良好的频谱特性。
1.2 用FPGA和DDS技术产生三相PWM的原理
    本设计需要设计能够输出三相的PWM信号。根据DDS的原理,相位累加器的输出对应于该时刻合成周期信号的相位,并且相位具有周期性,在0~2π范围内变化。因此设置相位累加器的初始值,就可以使产生的信号具有不同的初相位。
    本设计的单相PWM信号在FPGA上实现的原理和过程如图2所示。相位控制字R设置相位累加器的初始值,可决定PWM信号的初相。图2中,使用一个幅值比较器取代了图1中的波形储存器,幅值比较器是一个0/1输出的二值比较器,它决定了输出脉冲的波形。由前面分析可知,累加器的输出值是线性的,它的值与相位一一对应,因此累加器的输出值与参数K进行比较结果决定输出信号fo的高低电平。K作为一个门限值,通过设置K便可设置输出脉冲波形的占空比,我们把K称为占空比控制字。多路单相PWM电路共用一个参考时钟fc就可以构成多相PWM信号,各相PWM均有独立的R和K,通过设置便可获得多路同频异相、占空比不同的PWM信号。

d.JPG


    由于使用了DDS原理方法,上述PWM脉冲信号具有高频率和相位分辨率的特点。但图2中的DDS方法是有区别于传统DDS实现的,它没有使用波形存储单元,节省了FPGA的存储空间,使设计全数字化,便于在FPGA上实现,方法简单高效。
1.3 功率可控的设计
    PWM信号的功率可控是为了满足不同应用的需求。本设计通过程控放大(AGC)实现PWM信号的功率可控,图3是功率可控的原理框图。

e.JPG


    AD603是美国AD公司继AD600后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控VGA芯片。由FPGA、D/A转换器和可编程增益放大器AD603构成程控放大的原理如图3所示。FPGA通过对控制D/A输出直流电压来控制AD603的内部电阻衰减网络,实现增益调节。其外围元件少,电路简单,由于AD603带宽最大能达到90MHz,增益范围有40dB,增益精度在±0.5dB,可精确实现电压的控制,实现功率的精确步进控制。

2 设计的测试与结果分析
    系统的测试结果如图4、图5及图6所示。

f.JPG


    图1中的信号为作为比较的基准信号。信号的频率为149.7kHz,峰峰值2.32V,正频宽3.344μs,即占空比为50%。信号进行调幅、调频及调相后如图5所示,峰峰值为2.40V,步进增量为80mV;频率调为150.1 kHz,步进增量为0.4kHz;正频宽3.40 μs,占空比为51%;调相效果如图6所示,相位调节为2.16°。
    测试设备为Tektronix TDS2024型的数字存储示波器。排除测试过程的误差,结果调制波形有较高的精度,基本达到了设计要求。

3 结论
    基于FPGA实现的DDS的方法结合了FPGA及DDS的特点和优势,非常适用于产生频率、相位、占空比可调的信号,这恰好是PWM信号所需求的。目标系统实现了高精度、高分辨率的任意频率的三相PWM信号发生器的设计,在实测中取得了较好的效果。

关键字:DDS技术  PWM

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0530/article_2168.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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